Investigadores de HZB en cooperación con Humboldt-Universitaet zu Berlin hicieron una observación asombrosa:estaban investigando la formación de nanopartículas de oro en un solvente y observaron que las nanopartículas no se habían distribuido uniformemente. sino que se autoensamblaron en pequeños grupos.

Esto se determinó usando Dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS) en BESSY II. Un examen minucioso con un microscopio electrónico (TEM) confirmó su resultado. "La investigación sobre este fenómeno está avanzando ahora porque estamos convencidos de que tales nanoclusters se prestan como catalizadores, ya sea en pilas de combustible, en la división de agua fotocatalítica, o para otras reacciones importantes en ingeniería química ", explica el Dr. Armin Hoell de HZB. Los resultados acaban de aparecer en dos revistas académicas internacionales revisadas por pares.

"Lo que tiene de especial el nuevo proceso es que es extremadamente simple y funciona con un solvente ecológico y económico", explica el profesor Klaus Rademann de HU Berlin. En realidad, el solvente consiste en dos polvos que uno esperaría encontrar en la agricultura antes que en un laboratorio de investigación:un suplemento en el alimento para pollos (cloruro de colina, también conocida como vitamina B), y urea. Los colegas británicos descubrieron hace unos años que la mezcla de los dos polvos forma un líquido transparente capaz de disolver óxidos metálicos y metales pesados. llamado solvente eutéctico profundo (DES). Luego, los investigadores en Berlín colocaron sobre la lámina de oro solvente que podían bombardear con iones de gas noble para separar átomos individuales de oro. Así se formaron inicialmente las nanopartículas que se distribuyeron en el disolvente.

Dos resultados sorprendentes:las nanopartículas se mantienen pequeñas y forman grupos

Cuanto más duró el bombardeo (chisporroteo) de la lámina de oro, cuanto más grandes puedan llegar a ser las nanopartículas, razonaron los científicos. Sin embargo, este no fue el caso:las partículas dejaron de crecer a los cinco nanómetros. En lugar de, un número creciente de nanopartículas se formó durante tiempos de pulverización catódica más prolongados. La segunda sorpresa:estas nanopartículas no se distribuyeron uniformemente en el líquido, sino que se autoensamblaban en pequeños grupos o agrupaciones que podrían constar de hasta doce nanopartículas.

Este tipo de observaciones no se pueden realizar fácilmente con un microscopio, por supuesto, pero requieren en cambio un indirecto, enfoque estadístico:"Utilizando la dispersión de rayos X de ángulo pequeño en BESSY II, no solo pudimos determinar que las nanopartículas tienen alrededor de cinco nanómetros de diámetro, pero también mida cuáles son las separaciones entre ellos. De estas medidas, encontramos que las nanopartículas se organizan en grupos ", explica Hoell.

Imagen coherente por simulaciones, dispersión de ángulo pequeño y microscopía electrónica

"Ejecutamos modelos de computadora antes de cómo las nanopartículas podrían distribuirse en la solución para comprender mejor los resultados de la medición, y luego comparó los resultados de la simulación con los resultados de la dispersión de rayos X de ángulo pequeño ", explica el Dr. Vikram Singh Raghuwanshi, que trabaja como postdoctorado en HU Berlin y HZB. Una imagen del microscopio electrónico de transmisión criogénica que prepararon los colegas de HU confirmó sus hallazgos. "Pero no podríamos haber logrado este resultado usando solo microscopía electrónica, ya que solo puede mostrar detalles y secciones de la muestra ", Enfatizó Hoell. "La dispersión de rayos X de ángulo pequeño es indispensable para medir tendencias generales y promedios".

El solvente es crucial

Es obvio para los investigadores que el solvente DES especial juega un papel importante en este proceso de autoorganización:varias interacciones entre los iones del solvente y las partículas de oro dan como resultado, en primer lugar, que las nanopartículas alcancen solo unos pocos miles de átomos de tamaño, y en segundo lugar, que se atraen mutuamente un poco, pero solo débilmente, de modo que surgen los pequeños grupos. "Sabemos, sin embargo, que este tipo de pequeños grupos de nanopartículas son especialmente efectivos como catalizadores para las reacciones químicas que queremos:ya se ha demostrado un aumento de muchas veces en la velocidad de reacción debido solo a la disposición de las partículas ", dice Rademann.

Se planifica una investigación sobre el rendimiento catalítico

El Dr. Raghuwanshi dará una charla sobre estos resultados, además de proporcionar una vista previa de los enfoques de investigación de catálisis ahora planificados, en la conferencia internacional, IUCr2014, que tendrá lugar del 5 al 12 de agosto de 2014 en Montreal, Canadá.

En el año que viene, Por cierto, HZB será uno de los anfitriones de la 16a Conferencia Internacional de Dispersión de Ángulos Pequeños, SAS2015.